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Apuntes de mecánica clásica, E. Barrull (1994)
1. La física
La mecánica
Leyes de conservación
Observables (cantidades) primitivos
Límites de la mecánica clásica
2. Dinámica de una partícula
Cinemática y dinámica
Interacciones y fuerzas
Definiciones
Partícula libre
Velocidad
Aceleración
Momentum lineal
Estado clásico
Leyes de Newton
Ley de inercia (primera ley de Newton)
Definición de fuerza (segunda ley de Newton)
Tipos de fuerzas
Interacciones y fuerzas
Equilibrio y reposo
Impulso
Trabajo
Unidades de trabajo
Potencia
1. La física
La física es una ciencia fundamental que tiene una profunda influencia en todas
las otras ciencias. Por consiguiente, no sólo los estudiantes de física e ingeniería,
sino todo aquel que piense seguir una carrera científica (biología, química y
matemática) debe tener una completa comprensión de sus ideas fundamentales.
(Alonso y Finn, 1, vii)]
{Como muy bien dicen Alonso y Finn, todo aquel que piense seguir una carrera
científica debería estudiar física. ¿Porqué no se estudia física en psicología? Este
es otro ejemplo de la necesidad imperiosa de cambiar los planes de estudio de la
psicología}
[La palabra física viene del término griego que significa naturaleza, y por ello la
física debía ser una ciencia dedicada al estudio de todos los fenómenos naturales.
(Alonso y Finn, 1, 2)]
{La física es una ciencia muy compleja y desarrollada, pero a la vez muy simple,
puesto que trata de las características más simples y fundamentales que son
comunes a cualquier proceso, sistema, fenómeno, etc. Es la ciencia más general,
puesto que sus principios son independientes de la naturaleza particular del objeto
de estudio, y son válidos para cualquier fenómeno que se produzca en la
naturaleza.
La simplicidad de la física reside en que sus principios fundamentales son
únicamente dos. Efectivamente, todo lo que enseña la física acerca de la
naturaleza puede resumirse en dos afirmaciones. Ahora bien, tales afirmaciones o
principios distan mucho de ser obvios, y su comprensión requiere un importante
esfuerzo y preparación conceptual. Por ejemplo, para su correcta comprensión es
necesaria una preparación matemática que permita el manejo de diversos
conceptos matemáticos, tales como fuerza, trabajo, energía, etc. Decimos esto
porque a menudo se tiene la impresión de que la física afirma muchas y complejas
cosas, y uno difícilmente llega a comprender la verdadera enseñanza de la física.
La física se estructura en diversas ramas o subdisciplinas. Desde un punto de
vista estrictamente teórico, la física se divide en dos áreas teóricas: la mecánica y
la termodinámica. Las demás subdisciplinas tienen ya un carácter aplicado, como
por ejemplo, la dinámica de fluidos, el electromagnetismo, la electrónica, la
acústica, la física molecular, atómica y nuclear, la óptica, la química física, la física
del estado sólido, etc. Todas ellas se fundamentan en la mecánica (clásica y
cuántica) y la termodinámica.
La mecánica teórica, tanto la clásica como la cuántica, trata exclusivamente de la
comprensión del principio de la conservación de la energía. Este es el primer
principio fundamental de la física, que permite explicar un gran número de
propiedades de la naturaleza. En otras palabras, la mecánica nos enseña a
comprender y a operar con el principio de la conservación de la energía.
La distinción entre mecánica clásica y mecánica cuántica reside en su ámbito de
aplicación. Hasta que no se investigó la naturaleza íntima de la materia (su
naturaleza atómica y subatómica), la formulación de la mecánica clásica era
suficiente para la descripción de los fenómenos conocidos. Al empezar a
investigar los fenómenos atómicos, se izo patente que la mecánica clásica era
insuficiente para este campo de investigación. La mecánica cuántica surge para
solventar este problema, de modo que la mecánica clásica queda incluida en la
mecánica cuántica. La mecánica cuántica coincide con la mecánica clásica
cuando se aplica a sistemas superiores al nuclear, es decir, a sistemas de escala
natural o humana.
La termodinámica tiene un nivel de integración teórica superior, puesto que trata
de la comprensión del principio del incremento de la entropía y de su interrelación
con el principio de la conservación de la energía (llamados respectivamente
segundo principio y primer principio de la termodinámica). Por tanto, el análisis
termodinámico integra la aplicación de los dos principios fundamentales de la
física (incluye, por tanto, a la mecánica). Para los biólogos, la termodinámica es el
nivel de análisis físico que nos interesa, puesto que, como veremos, en los seres
vivos, tan importantes son las consecuencias del principio de la conservación de la
energía, como las del principio del incremento de la entropía. Es decir, no nos
basta con una comprensión adecuada de la mecánica sino que debemos alcanzar
también una comprensión adecuada de la termodinámica.}
La mecánica
El fenómeno más obvio y fundamental que observamos a nuestro alrededor es el
de movimiento... Prácticamente todos los procesos imaginables pueden
describirse como el movimiento de ciertos objetos... Nuestra experiencia diaria nos
dice que el movimiento de un cuerpo es influenciado por los cuerpos que lo
rodean; esto es por sus interacciones con ellos... Hay varias reglas generales o
principios que se aplican a todas las clases de movimiento, no importa cual sea la
naturaleza de las interacciones. Este conjunto de principios, y la teoría que los
sustenta, se denomina mecánica.
Para analizar y predecir la naturaleza de los movimientos que resultan de las
diferentes clases de interacciones, se han inventado algunos conceptos
importantes, tales como los de momentum, fuerza y energía... La mecánica es la
ciencia del movimiento, es también la ciencia del momentum, la fuerza y la
energía. Es una de las áreas fundamentales de la física, y debe comprenderse
completamente antes de iniciar una consideración de interacciones particulares...
La ciencia de la mecánica como la comprendemos hoy día es el resultado
principalmente del genio de Sir Isaac Newton, que produjo la gran síntesis
denominada principios de Newton. Sin embargo, muchas personas más han
contribuido a su avance. Algunos de los nombres más ilustres son Arquímedes,
Galileo, Kepler, Descartes, Huygens, Hamilton, Mach y Einstein. (Alonso y Finn, 1,
84)]
{Aunque la mecánica clásica realiza una descripción extremadamente simplificada
de los procesos naturales, el interés de su estudio, para el biólogo, reside en que
proporciona la aproximación más simple a los conceptos de interacción, fuerza,
trabajo y energía, necesarios para la comprensión del principio de la
conservación de la energía. Estos conceptos son fundamentales para la
comprensión de los procesos biológicos y psicosociales, por lo que su estudio es
imprescindible.}
Leyes de conservación
En el mundo físico existe un cierto número de leyes de conservación, algunas de
las cuales son exactas y otras aproximadas. Una ley de conservación es
normalmente la consecuencia de una simetría fundamental del universo. Existen
leyes de conservación relativas a la energía, a la cantidad de movimiento, al
momento cinético, a la carga, al número de bariones (protones, neutrones y
partículas elementales más pesadas), extrañeza y otras diversas magnitudes.
Discutiremos la conservación de la energía en este capítulo. En el siguiente
trataremos de la conservación de la cantidad de movimiento linear y angular...
Si se conocen todas las fuerzas que intervienen en un problema y si somos lo
suficientemente hábiles y tenemos calculadores de adecuada velocidad y
capacidad para obtener las trayectorias de todas las partículas, entonces las leyes
de la conservación nonos dan ninguna información adicional. Pero constituyen una
herramienta muy poderosa que los físicos utilizan diariamente. ¿Por qué dichas
leyes de conservación son herramientas de tanta utilidad?
1. Las leyes de conservación son independientes de los detalles de la trayectoria
y, a menudo, de los detalles de una fuerza particular. Estas leyes, por
consiguiente, son un procedimiento de obtener consecuencias muy generales y
significativas de las ecuaciones del movimiento. Una ley de conservación puede
asegurarnos a veces que algo es imposible. Por lo tanto, no perderemos tiempo
en analizar un pretendido aparato de movimiento perpetuo, si es simplemente un
sistema cerrado formado por componentes mecánicos y eléctricos, o un esquema
de propulsión de satélites, el cual da a entender que trabaja moviendo pesos
internos.
2. Las leyes de conservación se han utilizado incluso aunque no se conozca la
fuerza; esto se aplica particularmente a la física de las partículas elementales.
3. Las leyes de conservación tienen una conexión íntima con la invarianza. En la
exploración de fenómenos nuevos y aún sin comprender, las leyes de
conservación son con frecuencia el hecho físico más importante que conocemos y
pueden sugerirnos conceptos de invarianza apropiados...
4. Aun cuando se conozca exactamente la fuerza, una ley de conservación puede
constituir una ayuda conveniente para obtener el movimiento de una partícula.
Muchos físicos tienen una rutina normal para resolver problemas desconocidos:
Primero se utilizan las leyes de la conservación más importantes una por una;
únicamente después de ello, si no han contribuido a desvelar el problema, se
empezará el trabajo real con ecuaciones diferenciales, métodos variacionales y de
perturbaciones, calculadoras, intuición y las demás herramientas a nuestra
disposición. (Berkeley, 1, 133-4)]
Observables (cantidades) primitivos
El físico reconoce cuatro cantidades fundamentales independientes: longitud,
masa, tiempo y carga. Con esto no queremos decir que no hay otras cantidades
'fundamentales' en física; sin embargo, las otras cantidades son tales que pueden
expresarse como una combinación de estas cuatro, o no requieren una unidad
especial para su expresión...
Con unas pocas excepciones, todas las cantidades usadas hasta ahora en física
pueden relacionarse a estas cuatro cantidades por sus definiciones, expresadas
como relaciones matemáticas involucrando longitud, masa, tiempo y carga. Las
unidades de todas estas cantidades derivadas son a su vez expresadas en función
de las unidades de las cuatro cantidades fundamentales mediante estas
relaciones de definición. (Alonso y Finn, 16-17)]
[Los conceptos fundamentales y primitivos que sustentan todas las mediciones
físicas y todas las propiedades son: el tiempo (segundo, seg.), la distancia
(metro, m), la masa (kilogramo, k), la temperatura absoluta (grado kelvin, K), la
corriente eléctrica (ampere, A), la cantidad de sustancia (mol, mol) y la
intensidad luminosa (bujía, cd)... Ellas forman la base del SI (System
International) o International System of Units. {unidades en el sistema
internacional, SI}. (Abbott y Vanness, 2)
Límites de la mecánica clásica
La discusión completa se ceñirá de momento al régimen no relativista, lo cual
equivale a restringirse a las transformaciones galileanas, a velocidades mucho
menores que las de la luz y a una independencia entre la masa y la energía.
(Berkeley, 1, 133)
2. Dinámica de una partícula
Cinemática y dinámica
En el capítulo 5, relativo a la cinemática, discutimos los elementos que
intervienen en la 'descripción' del movimiento de una partícula. Investiguemos
ahora la razón por la cual las partículas se mueven de la manera en que lo hacen.
¿Por qué los cuerpos cerca de la superficie de la tierra caen con aceleración
constante? ¿Por qué la tierra se mueve alrededor del sol en una órbita elíptica?
¿Por qué los átomos se unen para formar moléculas? ¿Por qué oscila un resorte
cuando se le estira y luego se le suelta? Quisiéramos comprender estos y otros
movimientos que observamos continuamente a nuestro alrededor. Esta
comprensión es importante no solamente desde el punto de vista del conocimiento
básico de la naturaleza, sino también desde el punto de vista de la ingeniería y las
aplicaciones prácticas. La comprensión de cómo (¿por qué?) se producen los
movimientos nos capacita para diseñar máquinas y otros instrumentos prácticos
que se mueven en la forma que nosotros deseamos. El estudio de la relación entre
el movimiento de un cuerpo y las causas de este movimiento se denomina
dinámica. (Alonso y Finn, 1, 156)
Interacciones y fuerzas
Por nuestra experiencia diaria sabemos que el movimiento de un cuerpo es un
resultado directo de sus interacciones con otros cuerpos que lo rodean... Las
interacciones se describen convenientemente por un concepto matemático
denominado fuerza. El estudio de la dinámica es básicamente el análisis de la
relación entre la fuerza y los cambios en el movimiento de un cuerpo.
Las leyes del movimiento que presentamos en la siguiente discusión son
generalizaciones que resultan de un análisis cuidadoso de los movimientos que
observamos alrededor nuestro y la extrapolación de nuestras observaciones a
ciertos experimentos ideales o simplificados. (Alonso y Finn, 1, 156)]
En muchos casos observamos el movimiento de solamente una partícula, ya sea
porque no tenemos manera de observar las otras partículas con las cuales
interactúa o porque las ignoramos a propósito. En esta situación es algo difícil usar
el principio de conservación del momentum. Sin embargo, hay una manera
práctica de resolver esta dificultad, introduciendo el concepto de fuerza. La teoría
matemática correspondiente se denomina dinámica de una partícula. (Alonso y
Finn, 1, 163)
Por tanto, nos limitaremos a la observación de una sola partícula, reduciendo sus
interacciones con el resto del universo a un solo término que hemos ya llamado
fuerza. (Alonso y Finn, 1, 202)
Definiciones
Partícula libre
Una partícula libre es aquélla que no está sujeta a interacción alguna.
Estrictamente no existe tal cosa, ya que toda partícula está sujeta a interacciones
con el resto del mundo. Luego una partícula libre deberá estar completamente
aislada, o ser la única partícula en el mundo. Pero entonces sería imposible
observarla porque, en el proceso de la observación, hay siempre una interacción
entre el observador y la partícula. En la práctica, sin embargo, hay algunas
partículas que podemos considerar libres, ya sea porque se encuentra
suficientemente lejos de otras y sus interacciones son despreciables, o porque las
interacciones con las otras partículas se cancelan, dando una interacción total
nula. (Alonso y Finn, 1, 156)
Velocidad
[La velocidad promedio entre A y B está definida por
(5.1)
donde x es el desplazamiento de la partícula y t es el tiempo transcurrido. Por
consiguiente la velocidad promedio durante un cierto intervalo de tiempo es igual
al desplazamiento promedio por unidad de tiempo. Para determinar la velocidad
instantánea en un punto, tal como A, debemos hacer el intervalo de tiempo t tan
pequeño como sea posible, de modo que esencialmente no ocurran cambios en el
estado de movimiento durante ese pequeño intervalo... Esto se escribe en la forma
Pero ésta es la definición de la derivada de x con respecto al tiempo; esto es
(5.2)
de modo que obtenemos la velocidad instantánea calculando la derivada del
desplazamiento con respecto al tiempo.
Debemos observar que el desplazamiento x (o dx) puede ser positivo o negativo
dependiendo de si el movimiento de la partícula es hacia la derecha o hacia la
izquierda, dando por resultado un signo positivo o negativo para la velocidad...
Algunas veces se utiliza el concepto de velocidad, definida como distancia/tiempo.
Siempre es positiva, y es numéricamente igual a la magnitud de la velocidad; es
decir, velocidad = IvI. Sin embargo, en general, la velocidad promedio usando esta
definición no tiene el mismo valor que la velocidad promedio de la expresión 5.1.
También es importante no confundir el 'desplazamiento' xB - xA en el tiempo tB - tA
con la 'distancia' cubierta en el mismo tiempo.
Así, la velocidad absoluta promedio es distancia/tiempo, y la velocidad vectorial
promedio es desplazamiento/tiempo. (Alonso y Finn, 1, 87-88)]
Aceleración
En general, la velocidad de un cuerpo es una función del tiempo. Si la velocidad
permanece constante, se dice que el movimiento es uniforme... La aceleración
promedio entre A y B está definida por
(5.4)
donde v es el cambio en la velocidad y, como antes, t es el tiempo transcurrido.
Luego la aceleración promedio durante un cierto intervalo de tiempo es el cambio
en la velocidad por unidad de tiempo durante el intervalo de tiempo.
La aceleración instantánea es el valor límite de la aceleración promedio cuando
el intervalo t es muy pequeño. Esto es,
(5.5)
En general, la aceleración varía durante el movimiento. Si el movimiento rectilíneo
tiene una aceleración constante, se dice que el movimiento es uniformemente
acelerado. (Alonso y Finn, 1, 89-90)
Momentum lineal
El momentum lineal de una partícula se define como el producto de su masa por
su velocidad. Designándolo por p, tenemos
(7.1)
El momentum lineal es una cantidad vectorial, y tiene la misma dirección que la
velocidad. Es un concepto físico de mucha importancia porque combina los dos
elementos que caracterizan el estado dinámico de una partícula: su masa y su
velocidad. (Alonso y Finn, 1, 158)
Estado clásico
En la Mecánica clásica, el estado instantáneo de un sistema mecánico se describe
mediante los valores de ciertas 'variables observables' del sistema. En el caso del
sencillo sistema constituido por una partícula de masa m que sólo puede moverse
a lo largo del eje x, las variables observables utilizadas para definir el estado
suelen ser la posición x y la cantidad de movimiento
de la partícula.
Dicho de otro modo, el estado del sistema en el instante t queda especificado por
el par de valores [x(t), p(t)] (Gillespie, 31)
Leyes de Newton
{Newton publicó 'Principia Mathematica' en 1686 donde exponía los principios de
la dinámica en base a tres 'leyes' llamadas las leyes de Newton.}
Ley de inercia (primera ley de Newton)
Consideremos ahora la ley de inercia, la cual establece que una partícula libre se
mueve siempre con velocidad constante, o (lo que es lo mismo) sin aceleración.
Esto es, una partícula libre se mueve en línea recta con una velocidad constante o
se encuentra en reposo (velocidad cero). Esta proposición se denomina la primera
ley de Newton, porque fue inicialmente propuesta por Sir Isaac Newton (16421727). Es la primera de las tres 'leyes' que él enunciara en el siglo diecisiete.
(Alonso y Finn, 1, 156-157)
Una consecuencia inmediata de la ley de inercia es que un observador inercial
reconoce que una partícula no es libre (es decir, que interactúa con otras
partículas) cuando observa que la velocidad o el momentum de la partícula deja
de permanecer constante; o en otras palabras, cuando la partícula experimenta
una aceleración. (Alonso y Finn, 1, 159)
Definición de fuerza (Segunda ley de Newton)
Designaremos el cambio con respecto al tiempo del momentum de una partícula
con el nombre de "fuerza". Esto es, la fuerza que "actúa" sobre una partícula es
(7.12)
La palabra "actúa" no es apropiada ya que sugiere la idea de algo aplicado a la
partícula. La fuerza es un concepto matemático el cual, por definición, es igual a la
derivada con respecto al tiempo del momentum de una partícula dada, cuyo valor
a su vez depende de su interacción con otras partículas. Por consiguiente,
físicamente, podemos considerar la fuerza como la expresión de una interacción.
Si la partícula es libre, p = constante y F = 0. Por lo tanto, podemos decir que no
actúan fuerzas sobre una partícula libre.
La expresión (7.12) es la segunda ley de movimiento de Newton; pero, como
podemos ver, es más una definición que una ley, y es una consecuencia directa
del principio de conservación del momentum...
Si m es constante, tenemos
(7.15)
Podemos expresar la ec. (7.15) en palabras diciendo:
La fuerza es igual a la masa multiplicada por la aceleración, si la masa es
constante.
Nótese que en este caso la fuerza tiene la misma dirección que la aceleración.
(Alonso y Finn, 1, 164-165)]
Nosotros introdujimos el concepto de fuerza como una noción matemática
conveniente para describir la variación del cambio de momentum de una partícula
debido a sus interacciones con otras partículas. Sin embargo, en la vida diaria
tenemos una imagen algo diferente del concepto de fuerza. Nosotros 'sentimos'
una fuerza (realmente una interacción) cuando un bateador golpea una pelota, un
martillo golpea un clavo, un boxeador golpea la cara de su oponente, o un peso
hala una cuerda. Y obviamente es difícil reconciliar esta imagen sensorial de
fuerza con la fuerza o interacción entre el sol y la tierra. En ambos casos, sin
embargo, tenemos una interacción entre dos cuerpos... No importa cuán compacto
pueda parecer un sólido, sus átomos están separados y mantienen sus posiciones
en la misma manera en que los planetas mantienen su posición como resultado de
sus interacciones con el sol. El 'bate' nunca está en contacto con la pelota en el
sentido microscópico, aunque sus moléculas se acercan mucho a aquellas de la
pelota, produciendo una alteración temporal en sus posiciones como resultado de
sus interacciones. Así todas las fuerzas en la naturaleza corresponden a
interacciones entre cuerpos situados a cierta distancia entre ellos. (Alonso y Finn,
1, 166-7)
Tipos de fuerzas
{En mecánica hablamos de fuerzas con independencia de su naturaleza. Por
consiguiente, ante un problema o fenómeno determinado, será necesario
determinar la naturaleza de todas las fuerzas que intervienen en él.}
[Conocemos sólo cuatro fuerzas básicas en que puede interaccionar la materia. Es
decir, existen cuatro interacciones fundamentales que explican las fuerzas
conocidas del Universo:
interacción gravitatoria
interacción electromagnética
interacción fuerte
interacción débil
La interacción gravitatoria, que es la más débil de todas, mantiene globalmente la
Tierra, enlaza el Sol y los planetas dentro del sistema solar y agrupa las estrellas
en las galaxias. Es la responsable del drama a gran escala del Universo.
La interacción electromagnética enlaza los electrones a los átomos y los átomos
entre sí para formar moléculas y cristales. Constituye la interacción más
significativa para toda la química y la biología.
La interacción fuerte aglutina los nucleones; agrupa íntimamente neutrones y
protones para formar los núcleos de todos los elementos. La fuerza más intensa
conocida en la naturaleza es también de alcance muy corto. Es la interacción
dominante de la física nuclear de alta energía.
La interacción débil existe entre las partículas elementales ligeras (los leptones:
electrones, neutrinos y muones) y entre éstas y las partículas más pesadas... Este
tipo de interacción no puede formar estados estables de la materia en el sentido
en que la fuerza gravitatoria puede formar un sistema solar. (Berkeley, 1, 457-8)]
Interacciones y fuerzas
{Por consiguiente, debe quedar clara la idea de que cualquier interacción entre
una partícula y su entorno puede expresarse en términos de una fuerza que actúa
sobre la partícula. Y más generalmente, cualquier interacción entre un sistema de
partículas y su entorno puede expresarse en términos de una fuerza que actúa
sobre el sistema de partículas. Así como las interacciones entre las partículas de
un sistema pueden expresarse mediante fuerzas internas del sistema.
Este concepto no tiene ninguna restricción, es decir, es válido tanto para partículas
atómicas elementales, para sistemas de partículas homogéneos, como una bola
de hierro, como para un sistema de partículas muy heterogéneo, como un ser
humano. Por ejemplo, cuando un ser humano se desplaza hacia un punto
determinado de su entorno, sabemos que es debido a una interacción entre él y su
entorno, y que, por consiguiente, esta interacción puede expresarse como una
fuerza (emoción, sentimiento) que actúa sobre el ser humano.
Lógicamente, cuando más complejo y heterogéneo es el sistema de partículas
(como por ejemplo un ser humano) más complejas y heterogéneas son las
interacciones entre él y su entorno, y, por tanto, más complejas son las fuerzas
que actúan sobre él. Ahora bien, el hecho de que nos sea muy difícil identificar la
naturaleza de tales fuerzas, no nos debe llevar al error de olvidar que tales fuerzas
existen. Por lo tanto, en nuestro modo de conceptualizar los diversos
conocimientos de la naturaleza humana que vayamos adquiriendo, debemos tratar
de no olvidar en último extremo, que todo proceso o fenómeno es el resultado de
la existencia de fuerzas que actúan sobre el ser humano. Es decir, hemos de
procurar describir cualquier proceso natural en términos de las fuerzas que lo
causan, ya sea que hablemos de una bola de hierro o de un grupo de
adolescentes.
El estudio de la dinámica clásica es imprescindible para comprender los conceptos
fundamentales de fuerza, energía, trabajo, etc., que luego deberemos utilizar
correctamente para describir y comprender los fenómenos humanos. No
olvidemos que la mecánica estudia estos conceptos con independencia de la
naturaleza de las interacciones que causan los procesos}
Equilibrio y reposo
Una partícula se encuentra en reposo con relación a un observador inercial
cuando su velocidad, medida por este observador, es cero. Una partícula se
encuentra en equilibrio con respecto a una observador inercial cuando su
aceleración es cero (a = 0). Luego, de la ec. (7.15), llegamos a la conclusión de
que F = 0; esto es, una partícula se encuentra en equilibrio cuando la resultante
de todas las fuerzas actuantes es cero.
Una partícula puede estar en reposo con relación a un observador inercial, pero no
estar en equilibrio... Igualmente, una partícula puede estar en equilibrio y no estar
en reposo relativo a un observador inercial... Por dicha razón muchas personas
consideran erróneamente los dos conceptos como sinónimos. (Alonso y Finn, 1,
190)
Impulso
Al resolver la ecuación fundamental de la dinámica de una partícula (esto es, F =
dp/dt), podemos siempre realizar una primera integración si conocemos la fuerza
en función del tiempo, ya que de esta ecuación obtenemos por integración
o sea
(8.1)
La magnitud I que aparece a la derecha se llama impulso. Por consiguiente la ec.
(8.1) nos dice que
el cambio de momentum de una partícula es igual al impulso.
Sin embargo, en los problemas importantes que surgen en la física, la fuerza
sobre una partícula no se conoce como función del tiempo, sino como función de
la posición especificada por r o x, y, z; es decir, como F(r) o F(x, y, z)... Para salir
de este aparente círculo vicioso debemos recurrir a otras técnicas matemáticas
que nos conducirán a definir dos nuevos conceptos: trabajo y energía. (Alonso y
Finn, 1, 202-203)]
Trabajo
{los conceptos de trabajo y energía se introducen para resolver la ecuación del
movimiento cuando se conoce la fuerza en función de la posición y no del tiempo,
lo
cual
es
el
caso
más
usual.}
[Consideremos una partícula A que se mueve a lo largo de una curva C bajo la
acción de una fuerza F (Fig. 8-1). En un tiempo muy corto dt la partícula se mueve
de A a A', siendo el desplazamiento
.
Fig. 8-1. El trabajo es igual al desplazamiento multiplicado por el componente de la fuerza a lo
largo del desplazamiento.
El trabajo efectuado por la fuerza F durante tal desplazamiento se define por el
producto escalar
(8.2)
Designando la magnitud del desplazamiento dr (esto es, la distancia recorrida) por
ds, podemos también escribir la ec. (8.2) en la forma
(8.3)
Verbalmente podemos expresar este resultado diciendo que
el trabajo es igual al producto del desplazamiento por la componente de la fuerza
a lo largo del desplazamiento.
Notemos que si la fuerza es perpendicular al desplazamiento, el trabajo efectuado
por la fuerza es cero. Por ejemplo, esto sucede en el caso de la fuerza centrípeta
en el movimiento circular, o en le de la fuerza de gravedad cuando un cuerpo se
mueve sobre un plano horizontal.
La ec. (8.2) da el trabajo para un desplazamiento infinitesimal. El trabajo total
sobre la partícula cuando ésta se mueve de A a B es la suma de todos los trabajos
infinitesimales efectuados en los sucesivos desplazamientos infinitesimales. Esto
es,
(8.5)
Cuando la fuerza es constante en magnitud y dirección y el cuerpo se mueve
rectilíneamente en la dirección de la fuerza, se tiene un caso particular interesante.
Entonces FT = F y la ec. (8.5) da
(8.6)
o sea trabajo = fuerza x distancia, que es la expresión encontrada normalmente en
textos elementales... el trabajo de la resultante de varias fuerzas aplicadas a la
misma partícula es igual a la suma de los trabajos de las fuerzas componentes.
(Alonso y Finn, 1, 203-206)]
Unidades de trabajo
[Las ecs. (8.2) y (8.6) nos muestran que el trabajo debe ser expresado en términos
del producto de la unidad de fuerza por la unidad de distancia. En el sistema
MKSC, el trabajo se expresa en newton metro, unidad que se llama joule y se
abrevia J. Por tanto un joule es el trabajo efectuado por una fuerza de un newton
actuando sobre una partícula que se mueve un metro en la dirección de dicha
fuerza... El nombre joule fue escogido en honor de James Prescott Joule (18161869), científico británico, famoso por sus investigaciones sobre los conceptos de
calor y energía.
En el sistema cgs, el trabajo se expresa en dina centímetro, unidad que se llama
erg. (Alonso y Finn, 1, 207)
Potencia
[En las aplicaciones prácticas, especialmente las de ingeniería y mecanismos, es
importante conocer la rapidez del trabajo efectuado. Se define la potencia
instantánea por
(8.9)
Esto es, se define la potencia como el trabajo efectuado por unidad de tiempo
durante un intervalo dt muy pequeño. Usando las ecs. (8.2) y (5.17), podemos
también escribir
(8.10)
y así la potencia puede definirse también por el producto de la fuerza por la
velocidad. La potencia promedio durante un intervalo t es obtenida dividiendo el
trabajo total W, dado por la ec. (8.5), entre el tiempo t, lo que da
Desde el punto de vista de la ingeniería, el concepto de potencia es muy
importante, pues cuando un ingeniero diseña una máquina, es la rapidez con que
puede efectuar el trabajo lo que importa, más bien que la cantidad total de trabajo
que la máquina pueda realizar. (Alonso y Finn, 1, 206-207)]
La potencia P es la transferencia de energía por unidad de tiempo...
A partir de la potencia P(t) como una función podemos escribir el trabajo
proporcionado como
En el sistema CGS la unidad de potencia es un erg. por segundo. En el sistema
MKS la unidad es un joule por segundo, o watt. (Berkeley, 1, 144-145)]
Notas:
[1]Más adelante, en termodinámica, el concepto de partícula libre se tratará como
equivalente a sistema aislado.
[2]A la magnitud del momentum se la denomina 'cantidad de movimiento'.
[3]Suponiendo que conocemos la fuerza que actúa sobre la partícula en función de
la posición.
[4]O cuando experimentamos el deseo de ver a alguien, de comprar un objeto, de
realizar una tarea, de huir de una situación, etc. En general, desde la perspectiva
de la experiencia humana, las fuerzas a las que estamos sometidos son
experimentadas como emociones, deseos, sentimientos, etc.
[5]Un ser vivo puede considerarse como un sistema material que interactúa
mecánica y electromagnéticamente con su entorno, bajo un campo de interacción
gravitatorio. Dichas interacciones mecánicas y electromagnéticas son
enormemente complejas, hasta el punto que no tiene ningún sentido tratar de
determinarlas. Pero, en ningún caso, deberíamos olvidar la naturaleza
estrictamente física de todo nuestro comportamiento.